Machbarkeit von plasmabasiertem Abfallrecycling zu reinen Bestandteilen

TL:DR machbar? Ja. Praktisch? Nein.

Dieses Design ist in seiner jetzigen Form aus mehreren Gründen nicht wirklich haltbar.

Erstens ist Plasma überhaupt nicht dicht (oder zumindest nicht in den meisten künstlichen Fusionsreaktoren). In einem Fusionsreaktor wird sehr wenig Wasserstoff verwendet. Sobald Sie Ihren fein gemahlenen Müll hinzufügen, kühlt er wahrscheinlich auf unter ab Schwellenwert, der für die Fusion benötigt wird, was bedeutet, dass Sie im Wesentlichen genauso gut dran wären (wahrscheinlich viel besser dran, aus Gründen, auf die ich nicht eingehen werde), Ihren Müll mit jeder anderen Form von Wärme wie einem Laser, starkem elektrischem Strom, konzentriertem Sonnenlicht oder zu verdampfen und zu ionisieren intensive Strahlung (die von einem Fusionsreaktor stammen könnte) und dann durch den Magnetabscheider geleitet wird.

Das andere Problem mit der geringen Dichte von Plasma ist die Tatsache, dass die 10 m großen massiven Würfel, die Sie verbrennen, ein riesiges Plasmavolumen (wie wirklich groß) erzeugen und dieses Plasma nicht von hoher Dichte sein kann, da sonst die Partikel-Partikel-Wechselwirkung dominiert und es wird viel schwieriger sein, sich zu trennen. Das bedeutet, dass Ihre Pflanze entweder unglaublich langsam arbeiten muss und nur ein paar Gramm pro Jahr schafft, oder Plasma mit enormer Geschwindigkeit durchsenden muss, was bedeutet, dass Sie viel stärkere Magnete benötigen, um sie auf diese kurvenreichen Pfade zu schicken, und viel verbrauchen werden mehr Energie pro kg Masse, die durchgeschickt wird, als von einer Zivilisation ohne so etwas wie die Stromerzeugung aus Schwarzen Löchern vernünftigerweise ertragbar wäre.

Ihr Design wird auch unter Problemen leiden, die sich aus der doppelten Ionisierung ergeben. weil es sich auf der Grundlage einer bestimmten Ladung trennt. Nehmen wir an, wir haben zwei Ionen, die durch den Detektor gehen, Kohlenstoff-12 mit einem fehlenden Elektron und Magnesium-24 mit zwei fehlenden Elektronen. Diese beiden Ionen werden vom Separator fast identisch behandelt, der einzige Unterschied ergibt sich aus ihrer Bindungsenergie, die so gering ist, dass die Spur fast hundertmal länger sein müsste. Dies ist wahrscheinlich auch immer ein Problem, egal welche Ionisierungsmethode Sie verwenden, wenn Sie es stärker ionisieren, erhalten Sie weniger doppelte, einfache und dreifache Ionisierung und Elemente werden zurückgelassen.

Abgesehen davon könnte Ihr Gerät immer noch als TEIL eines größeren Makro-Recyclingsystems verwendet werden, sobald Sie alles herausgenommen haben, was Sie normalerweise (dh chemisch und physikalisch) entfernen können, wird immer noch etwas Abfall da sein. Dies ist, was Sie dann durch ein Massenspektrometer im industriellen Maßstab schicken und in Bestandteile aufteilen.

Die massiven Energiesorgen könnten auch nicht allzu schlimm sein. Theoretisch fließt die gesamte Energie in die vielen Ströme schnell bewegter Ionen und ein wenig Zyklotronstrahlung, beides eigenständige Energiequellen, die leicht recycelt und in das System zurückgespeist werden können. Wenn Sie Platz haben, können Sie wahrscheinlich auch sehr schnell viel Energie erzeugen.

Obwohl ich mir nicht vorstellen kann, dass dies die Hauptmethode für den Umgang mit Müll wird, könnte es sehr wohl Teil eines größeren Systems für den Umgang mit diesem wirklich lästigen Müll sein, der nicht verschwinden wird.

BEARBEITEN: In Bezug auf Ihre Bonuspunkte kann die Größe im Allgemeinen sehr stark variieren. Größere Anlagen werden im Allgemeinen erfolgreicher darin sein, Elemente sauberer zu trennen, und einfacher zu warten, während kleinere Anlagen Abfall schneller verarbeiten, aber möglicherweise viel schwieriger zu bauen sind.

Das Best-Case-Szenario für den Energieverbrauch ist die Bildungsenthalpie des Abfalls, die für jede raumfahrende Zivilisation im Grunde 0 wahrscheinlicher ist, dass sie durch die Rate bestimmt wird, mit der der Abfall verbraucht werden muss, die Effizienz ihrer Technologie, die elementare Zusammensetzung von ihre Verschwendung und tausend andere Variablen, die wir nicht kennen.

Es lässt sich wirklich gut skalieren. Tatsächlich würde ich raten, diese Pflanzen im Weltraum zu bauen, wo Vakuum billig ist und Sie sich so weit ausbreiten können, wie Sie möchten.

Die elementaren Ausgänge werden zuerst durch einen Solenoid gesendet, so dass Energie aus den sich schnell bewegenden Materieströmen recycelt werden kann, die jetzt langsamen elementaren Strahlen können einfach zu Elektroden gesendet werden, die Energie aus der Ladung der Ionen extrahieren. Bei gasförmigen Elementen wird es viel schwieriger, für die reaktiven Elemente würde ich empfehlen, eine Kalziumelektrode zu verwenden, aus der Sie dann mit Elektrolyse das Gas wieder abziehen. Edelgase werden schwieriger, aber nicht unmöglich. Möglicherweise müssen Sie sie in ein Lösungsmittel feuern, in dem sie sich auflösen (vielleicht ein reines Bitumen), und sie dann später extrahieren.

Sehr wahrscheinlich

Es würde wahrscheinlich funktionieren. Zentrifugen werden verwendet, um Uran anzureichern (d. h. U-235 von U-238 zu trennen), indem sie es in ein Gas umwandeln und dann die Tatsache ausnutzen, dass die beiden Isotope unterschiedliche Gewichte haben, sodass sie sich beim Drehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Dies scheint eine ähnliche Idee zu verwenden.

Es wäre ein Biest von einer Sache, es zu entwerfen und in die Lage zu versetzen, jedes Element auszuführen. Aber wenn wir heute Urangaszentrifugen haben, ist eine Plasmazerfallszentrifuge plausibel, sogar eine, die empfindlich genug ist, um ein universeller Zerleger zu sein. Es würde wahrscheinlich Jahrzehnte oder Jahrhunderte der technologischen Entwicklung über das hinausgehen, was wir heute haben, aber wenn Ihre Geschichte weit genug in der Zukunft liegt, ist das kein Problem.

Effizienz : Dinge in Plasma zu verwandeln erfordert viel Energie. Diese Anlage würde wahrscheinlich einen Kernreaktor benötigen, wahrscheinlich mit stark optimiertem Design, der den Müll direkt in Plasma in den erforderlichen Mengen umwandelt und nur nebenbei genug konventionelle Energie erzeugt, um sich selbst am Laufen zu halten.

Eindämmungsmethode : Die elementaren Ausgänge werden wahrscheinlich nicht energisch genug sein, um Kernreaktionen zu durchlaufen, also können Sie sie einfach in eine Kammer voller Wasser schießen (eine pro einzelnes Element). Dadurch werden die Ionen ausreichend abgebremst, um sie im Behälter zu stoppen und sie wieder in gewöhnliche Atome umzuwandeln. Dadurch wird Cherenkov-Strahlung freigesetzt (die Sie wahrscheinlich zur Stromerzeugung verwenden können, wodurch die Effizienz etwas verbessert wird). Die Atome reagieren mit dem Wasser; Nur Edelgase halten sich gerne in nackten Elementarzuständen auf (egal, dass sie Elektronen gewaltsam „freisetzen“, um ihre eigenen erschöpften Hüllen wieder aufzufüllen), also müssen Sie gewöhnliche chemische Verfahrensprozesse anwenden, um sie zu verfeinern.

[Haftungsausschluss: Ich bin kein Physiker. Jemand, der es ist, kann wahrscheinlich Löcher darin piesacken.]

Gut, dass Sie Fusionsanlagen haben

Denn du wirst viel Energie brauchen. Von entscheidender Bedeutung ist die Ionisationsenergie aller Elemente. Da Plasma normale Elemente ohne ihre Elektronen enthält, muss genügend Energie in jeden Müllwürfel gepumpt werden, um genügend Elektronen freizusetzen, um ein Plasma zu bilden.

Die Energie, die erforderlich ist, um 10 m ^ 3 zufälligen Müll zu energetisieren / zu plasmaisieren, wird immens sein. Betrachten wir am unteren Ende weiterhin Wasserstoff. Für eine vollständige Ionisierung sind 1312 kJ/Mol erforderlich. Aber Wasserstoff ist einfach. Es ist schon ein Gas.

Eisen ist schwieriger. Es ist ein Feststoff und liefert keine Energie durch Fusion. Die Ionisationsenergie von Eisen beträgt 762,5 kJ/Mol für das erste Elektron. Die Ionisationsenergien steigen danach für jedes Elektron schnell an.

Ich weiß nicht, ob Eisen zum Sieden erhitzt werden muss, bevor es sich in ein Plasma verwandeln kann. Wenn dies der Fall ist, sind die Energieanforderungen für diesen Reaktor atemberaubend. Unter Annahme linearer spezifischer Wärmewerte bei allen Temperaturen von 1 kg Eisen von 449 J/kg K; es braucht 1407166 J, um 1 kg Eisen zu kochen. Fügen Sie die Verdampfungswärme hinzu und es wird noch teurer.

Überlegungen zum Reaktordesign

Es gibt ein paar Dinge, die Sie in diesem Reaktor berücksichtigen müssen.

• Lassen Sie das Plasma nichts berühren. Ich habe in der Literatur Temperaturen von 30.000 Kelvin gesehen. Bei den diskutierten Energien können die Plasmatemperaturen erheblich höher sein. Normale Materie verhält sich nicht gut, wenn sie von hochenergetischen Atomen getroffen wird. Dies ist ein seit langem bestehendes Problem in derzeit in der Entwicklung befindlichen Fusionskraftwerken.

• Das ist kein Treibstoff. Alles Eisen und Schwerere gibt beim Verschmelzen keine Energie ab.

• Um kalte Materie in diesen Reaktor zu injizieren, sind lächerlich hohe Energieflüsse erforderlich, um sie aufrechtzuerhalten. Alle 10 m^3 müssen auf Plasmatemperaturen erhitzt werden, die von Würfel zu Würfel stark variieren. Wenn die Masse die Plasmakammer verlässt, benötigt sie Wärmeenergie, die wiederhergestellt werden muss, um das Plasma aufrechtzuerhalten.

• Der Reaktor muss die schnelle Expansion von Gasphasenprodukten enthalten. Wasser dehnt sich 1700x aus, wenn es in Dampf umgewandelt wird. Andere Feststoffe oder Flüssigkeiten können sich noch stärker ausdehnen. Der Reaktor muss nicht nur die expandierenden Gase enthalten, sondern auch die Hochgeschwindigkeitsbrocken beliebiger Masse, die durch diese Produkte beschleunigt werden. Mit anderen Worten, ohne Vorverarbeitung ist jeder Würfel eine 10m^3 große Splitterbombe.

• Achten Sie auf die wirklich ätzenden Elemente wie Fluor und Chlor. Diese Elemente sind nicht schlecht, wenn sie bei Raumtemperatur an andere Elemente gebunden sind, aber dieser Reaktor ist nicht normal. Es müssen besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden oder der Reaktor kann sich selbst fressen.

Design-Kompromisse

Okay, irgendwie funktioniert der Reaktor. Es trennt jedes Element und zerstört sich nicht selbst. Sie haben eine enorme Menge an Energie aufgewendet, um ein sehr heißes Gas zu bekommen. Gut gemacht!

Allerdings haben Sie jetzt eine große heiße Wolke zufälliger Elemente, die sortiert, gekühlt und in verkaufsfähige Produkte umgewandelt werden müssen. Wie werden Sie diese sortieren? Wie verhindert man unnütze chemische Reaktionen, wenn die Atome abkühlen?

Nachdem ich ein wenig über Kohlenwasserstoffplasmen geforscht habe, kann ich ohne Zweifel sagen, dass dieser Bereich wahnsinnig komplex und sehr schwer zu handhaben ist, selbst mit Einzelelementplasmen. Dieser Reaktor muss alle Elemente in jedem Verhältnis und jeder Menge aufnehmen. Dies ist das PDF-Handbuch für einen realen Plasmarechner, der nur ein Element-Plasma macht. Alle diese Eingabevariablen ändern sich zwischen Chargen und möglicherweise innerhalb jeder Charge.